CN104772028A - 一种新型湿式船舶废气综合处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型湿式船舶废气综合处理方法，具有如下步骤：船舶柴油机排放的废气依次经过天然海水，强氧化性、强酸性溶液和强还原性、强碱性溶液的处理，得到的净化之后的废气直接排入大气，得到的净化之后的废液经过天然海水稀释后排入大海。本发明还公开了一种新型湿式船舶废气综合处理装置，包括主海水管、一级喷淋塔、预氧化器、二级喷淋塔与隔膜电解装置，所述一级喷淋塔内雾化器I与管道分支I连通，所述二级喷淋塔内雾化器Ⅲ与所述隔膜电解装置的阴极槽的排液孔连通。本发明采用电解法制备所需的强氧化性和强碱性溶液，实现在线应用、同时脱硫脱硝的目的，从而减少了加装和随船存储化学药品所带来的船舶安全隐患和额外投资成本。

Description

一种新型湿式船舶废气综合处理方法及装置

技术领域

本发明属于船舶造成大气污染防治技术领域，具体涉及一种新型湿式船舶废气综合处理方法及装置。

背景技术

据国际航运商会和香港船东会发布的统计数据显示，全球90％以上的国际贸易是通过海上运输来完成的，而全球从事远洋运输的商船中超过300总吨以上的约有5万艘，这其中绝大多数商船均采用柴油机作为船舶的主推进动力装置与发电原动机装置。近几十年来，为了降低运营成本，船舶柴油机多数采用廉价的重质残渣油作为燃料，此类燃料油的含硫量高、粘度较大、残炭值较高，造成了船舶柴油机的废气排放对环境的严重污染，引起了世界各国的广泛关注。

据国际海事组织(IMO)2014年统计数据显示，船舶废气年排放SOx约占全球排放总量的13％，年排放NOx约占全球排放总量的15％，废气中大量的有害污染物对人类健康和生态环境都带来了严重的危害。为此，IMO、美国环保局、欧盟环保局等纷纷立法限制船舶废气排放，针对船舶废气中SOx和NOx制定了更加严格的排放法规。面对如此严峻的减排形势，各大航运企业迫切地需要采取有效措施来满足公约要求，同时降低SOx与NOx排放，从而减少大气污染。

为此，近些年来，国内外各大船用设备公司和科研院所对船舶废气处理技术的研究开发尤为迅速，目前已经有很多关于船舶废气单一处理技术的专利报道，如：专利号201110120210.0《具有废气净化系统的大型二冲程柴油发动机》、专利号201280045211.6《排气系统和选择性催化还原方法》等，通过优化十字头式大型涡轮增压二冲程柴油发动机排气管系，安装SCR来实现高效脱除废气中的氮氧化物，但却存在脱硝投资和运营成本较高、氨过量泄漏到大气造成污染、反应温度窗较窄和催化剂的抗硫中毒等问题；专利号201410146023.3《一种用于处理船舶排放废气的系统》与专利号201310259906.0《一种船舶柴油机废气洗涤脱硫的设备》，均采用钠碱洗涤系统将氢氧化钠和双氧水作为洗涤剂，去除船舶废气中的硫氧化物，但却需要随船存储大量的化学物质、占用船舶有效空间，降低船舶安全性。然而，在废气综合处理方面，有关陆地电站和燃煤电厂的烟气综合处理研究报道居多，但相关处理技术和装置很难适应海上环境特征，且在经济性、空间利用率等方面均难以满足实船要求。针对船舶废气综合处理技术的报道甚少，如专利号201310116629.8《钠碱法化学吸收-非热放电同时脱硫脱硝系统》，通过将非热等离子放电预氧化与钠碱吸收技术相结合，实现船舶废气同时脱硫脱硝目的，但该方法却存在等离子体能耗较高、随船存储碱液占用空间和影响安全性等问题；专利号201010540886.0《船舶废气的脱硫脱硝方法及处理装置》，先用臭氧、过氧化氢等喷淋氧化，再用氯化钠中和吸收实现综合脱硫脱硝，但该方法需要消耗过量的臭氧和过氧化氢溶液，且生成的硝酸和硫酸对设备的防腐蚀要求很高，设备投资和维护成本升高；专利号201410374452.6《一种用于二冲程柴油机的废气污染物联合脱除装置》，采用湿法洗涤方式去除SOx，再将部分低温干净废气再循环，降低发动机NOx生成量，但该方案脱硝效率有限，且会导致发动机燃烧不充分，HC和CO排放量增加等问题。

发明内容

根据上述提出的现有技术需要占用船舶有效空间来存储大量的化学物质，给船舶安全带来隐患以及提高投资成本等技术问题，而提供一种新型湿式船舶废气综合处理方法及装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种新型湿式船舶废气综合处理方法，具有如下步骤：

1)船舶柴油机排放的废气与天然海水混合脱除所述废气中的SO_X和PM，得到一次废液和一次净化废气；

2)天然海水进入隔膜电解装置的阴极槽与阴极反应得到强还原性、强碱性溶液；所述一次废液经离心分离处理后，一部分溶液进入所述隔膜电解装置的阳极槽与阳极发生反应得到强氧化性、强酸性溶液，另一部分则直接与天然海水混合稀释后排出，所述离心分离处理后得到的杂质被收集；

所述一次废液是含有颗粒物等固体杂质的酸性废液，通过所述离心分离处理后，将颗粒物杂质与溶液分开，经分离后的溶液，取一部分通入所述阳极槽，利用酸性环境的海水制备与保存强氧化性溶液，而剩下的另一部分溶液则直接经海水稀释后排海。

两部分溶液没有成分区别，通入所述阳极槽的所述溶液用量则主要取决于所述船舶柴油机排放的废气中NO氧化所需的氧化性溶液用量，而所述步骤1)中所用天然海水量(即产生的所述一次废液中的溶液量)会大于氧化NO所需溶液用量，所以只是取一部分进入所述阳极槽即可。

3)所述一次净化废气与所述强氧化性、强酸性溶液混合将所述一次净化废气中NO氧化成NO₂，得到二次废液和二次净化废气；

4)所述二次净化废气与所述强还原性、强碱性溶液混合吸收所述二次废气中的NO_X，得到三次废液和三次净化废气；

5)所述三次净化废气直接排入大气；

6)所述三次废液与所述二次废液混合经过滤净化装置处理后，与天然海水混合稀释后排出，所述过滤净化装置处理后得到的杂质被收集。

本发明还公开了一种新型湿式船舶废气综合处理装置，包括主海水管和一级喷淋塔，所述一级喷淋塔内设有雾化器Ⅰ，所述雾化器Ⅰ通过管道分支Ⅰ与所述主海水管的进水端连通，所述一级喷淋塔的下端设有废气进气孔，所述一级喷淋塔的上端通过排气管与预氧化器的进气孔连通，所述预氧化器内设有雾化器Ⅱ，所述预氧化器的下端与二级喷淋塔的下端连通，所述预氧化器是指一个跟所述二级喷淋塔相连的“预混合室”，在所述二级喷淋塔之前提供一个废气与强氧化性溶液混合的反应腔室。

所述一级喷淋塔上设有排液孔Ⅰ，所述排液孔Ⅰ与离心分离装置的进液孔连通，所述离心分离装置设有与隔膜电解装置的阳极槽连通的排液孔Ⅱ和与所述主海水管的排水端连通的排液孔Ⅲ，所述阳极槽的排液孔与所述雾化器Ⅱ连通，

所述隔膜电解装置是基于隔膜法电解的装置，所述隔膜法电解是目前电解法生产烧碱最主要的方法之一，所谓隔膜法是指在阳极与阴极之间设置隔膜，把阴、阳极产物隔开。隔膜是一种多孔渗透性隔层，它不妨碍离子的迁移和电流通过并使它们以一定的速度流向阴极，但可以阻止OH^-向阳极扩散，防止阴、阳极产物间的对流混合。

本发明中所述隔膜电解装置的阴阳极材料相同，均采用表面镀有贵金属或其氧化物的钛电极。当输入直流电进行电解后，以氯化钠为主的海水溶液(所述一次废液的主要成分)中的部分氯离子在阳极上失去电子生成氯气并溶解到显酸性的海水溶液(即所述一次废液)中，生成次氯酸及次氯酸盐，从而使阳极溶液表现出较强氧化性。阳极溶液中的金属阳离子(如钠离子、镁离子、钙离子等)、氢离子等在电场作用下向阴极迁移。在阴极附近，氢离子得到电子生成氢气逸出，促进水的电离分解，从而在阴极槽形成强碱性溶液。随着溶液的流动，电解槽内形成动态电解过程。

所述主海水管的进水端还设有管道分支Ⅱ，所述管道分支Ⅱ的另一端与所述隔膜电解装置的阴极槽连通，所述阴极槽的排液孔与位于所述二级喷淋塔内的雾化器Ⅲ连通，所述二级喷淋塔的上端设有排气孔，所述二级喷淋塔上设有与过滤净化装置连通的排液孔Ⅳ，所述过滤净化装置上设有与所述主海水管的排水端连通的排液孔Ⅴ。

所述离心分离装置上设有与污泥舱连通的排泥孔Ⅰ，所述过滤净化装置上设有与所述污泥舱连通的排泥孔Ⅱ。

所述排液孔Ⅱ与所述阳极槽的下端连通，所述阳极槽的排液孔位于所述阳极槽的上端，通过上述设置，使得从所述排液孔Ⅱ流入到所述阳极槽的液体从所述阳极槽的下端逐渐上升并与阳极发生反应，产生强氧化性、强酸性溶液，之后所述强氧化性、强酸性溶液从所述阳极槽的排液孔排出。

所述管道分支Ⅱ与所述阴极槽的下端连通，所述阴极槽的排液孔位于所述阴极槽的上端，通过上述设置，使得从所述管道分支Ⅱ流入到所述阴极槽的液体从所述阴极槽的下端逐渐上升并与阴极发生反应，产生强还原性、强碱性溶液，之后所述强还原性、强碱性溶液从所述阴极槽的排液孔排出。

工作状态下，天然海水依次经过所述主海水管的进水端，所述管道分支Ⅰ和所述雾化器Ⅰ与船舶柴油机排放的废气混合脱除所述废气中的SO_X和PM，得到一次废液和一次净化废气；

天然海水还依次经过所述主海水管的进水端和所述管道分支Ⅱ进入所述隔膜电解装置的阴极槽与阴极反应得到强还原性、强碱性溶液；

所述一次废液从所述排液孔Ⅰ进入到所述离心分离装置，经离心分离处理后，一部分溶液进入所述隔膜电解装置的阳极槽与阳极发生反应得到强氧化性、强酸性溶液，另一部分则从所述排液孔Ⅲ排入到所述主海水管的排水端，直接与天然海水混合稀释后排出，经离心分离处理后产生的污泥从所述排泥孔Ⅰ排入到所述污泥舱内；

所述一次净化废气通过所述排气管进入到所述预氧化器，并与从所述雾化器Ⅱ进入到所述预氧化器内的所述强氧化性、强酸性溶液混合将所述一次净化废气中NO氧化成NO₂，得到二次废液和二次净化废气；

所述二次净化废气从所述预氧化器的下端进入到所述二级喷淋塔的下端，并与从所述雾化器Ⅲ进入到所述二级喷淋塔内的所述强还原性、强碱性溶液混合吸收所述二次废气中的NO_X，得到三次废液和三次净化废气；

所述三次净化废气从所述排气孔直接排入大气；

所述三次废液与从所述预氧化器的下端进入到所述二级喷淋塔的下端的所述二次废液混合经所述过滤净化装置处理后，从所述排液孔Ⅴ排入到所述主海水管的排水端，与天然海水混合稀释后排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用电解法制备所需的强氧化性和强碱性溶液，实现在线应用目的，从而减少了加装和随船存储化学药品所带来的船舶安全隐患和额外投资成本。

2、相比传统的湿法脱硫系统，本发明采用电解原理制备过剩阳极氧化溶液，确保洗涤废液以稳定的硫酸钠溶液为主，从而免去曝气环节，缩小装置占用的空间。

3、本发明利用天然海水脱硫后的酸性洗涤液作为电解阳极溶液，在线制备强氧化性次氯酸，提高了溶液中次氯酸的稳定性，增强了溶液的氧化能力与NOx的吸收效果。

4、相比单一的脱硫/脱硝技术，本发明基于电解海水原理，充分发挥阴阳极电解溶液理化性质，实现一套系统顺序脱除船舶废气中的颗粒物、硫氧化物和氮氧化物，减少了船舶废气处理装置投资成本，提高了综合处理装置的可操作性和维护性。

基于上述理由本发明可在船舶造成大气污染防治技术等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的具体实施方式中一种新型湿式船舶废气综合处理装置的结构示意图。

具体实施方式

一种新型湿式船舶废气综合处理方法，具有如下步骤：

1)船舶柴油机排放的废气与天然海水混合脱除所述废气中的SO_X和PM，得到一次废液和一次净化废气，

天然海水与所述废气发生如下所示的化学反应：

SO₂(g)→SO₂(l)，

SO₂(l)+H₂O→HSO₃ ^-+H3O⁺，

HSO₃ ^-+H₂O→SO₃ ^2-+H₃O⁺，

2SO₃ ^2-+O₂→2SO₄ ^2-，

所述废气中的SOx与PM被天然海水洗涤脱除，得到的所述一次废液的pH值由约为8变成2-5的酸性范围，且含有较多的亚硫酸盐与颗粒物等杂质；

2)天然海水进入隔膜电解装置的阴极槽与阴极反应得到强还原性、强碱性溶液；所述一次废液经离心分离处理后，一部分溶液进入所述隔膜电解装置的阳极槽与阳极发生反应得到强氧化性、强酸性溶液，另一部分则直接与天然海水混合稀释后排出，所述离心分离处理后得到的杂质被收集，

所述阳极与所述阴极之间接直流电源，在所述隔膜电解装置内发生电解反应，在隔膜的作用下，阳离子运动受到抑制，所述阴极与所述阳极分别发生如下化学反应：

阳极：

2Cl^--2e→Cl₂，

Cl₂+H₂O→HCl+HClO，

HClO→ClO^-+H⁺，

2HClO+ClO^-→ClO₃ ^-+H⁺+Cl^-，

SO₃ ^2-+HClO→SO₄ ^2-+H⁺+Cl^-，

HSO₃ ^-+HClO→HSO₄ ^-+H⁺+Cl^-，

阴极：

2H₂O+2e→2OH^-+H₂，

经电解处理，所述阳极槽内的所述一次废液中亚硫酸盐氧化为稳定的硫酸盐和硫酸氢盐，所述强氧化性、强酸性溶液由于存在一定量的HClO而具有强氧化性，而阴极槽中所述强还原性、强碱性溶液主要是以一定量的氢氧化钠为主；

3)所述一次净化废气与所述强氧化性、强酸性溶液混合将所述一次净化废气中NO氧化成NO₂，得到二次废液和二次净化废气，

所述一次净化废气与所述强氧化性、强酸性溶液之间发生如下反应：

NO(g)→NO(l)，

NO(l)+HClO→NO₂(l)+HCl，

3NO₂(l)+H₂O→HNO₃+NO(l)，

NO₂(l)+H₂O→HNO₃+HNO₂，

3HNO₂→HNO₃+2NO(l)+H₂O，

所述一次废气经所述强氧化性、强酸性溶液喷淋洗涤后，NOx中的NO被部分氧化成NO₂，提高了NO：NO₂的比例(约为1)，且吸收后所述二次废液主要以硝酸盐形式存在；

4)所述二次净化废气与所述强还原性、强碱性溶液混合吸收所述二次废气中的NO_X，得到三次废液和三次净化废气，

所述二次净化废气与所述强还原性、强碱性溶液之间发生如下反应：

3NO₂+H₂O→2NO₃ ^-+2H⁺+NO，

NO+NO₂+H₂O→2H⁺+2NO₂ ^-，

2NO₂+2OH^-→H₂O+NO₂ ^-+NO₃ ^-，

NO+NO₂+2OH^-→H₂O+2NO₂ ^-；

5)所述三次净化废气直接排入大气；

6)所述三次废液与所述二次废液混合经过滤净化装置处理后，与天然海水混合稀释后排出，所述过滤净化装置处理后得到的杂质被收集。

经上述处理后，船舶柴油机废气实现了脱硫、脱颗粒物与脱硝过程，净化后的废气排入大气，而最终的废液与天然海水混合稀释后排入大海。

如图1所示，一种新型湿式船舶废气综合处理装置，包括主海水管1和一级喷淋塔2，所述一级喷淋塔2内设有雾化器Ⅰ201，所述雾化器Ⅰ201通过管道分支Ⅰ101与所述主海水管的进水端102连通，所述一级喷淋塔2的下端设有废气进气孔202，所述一级喷淋塔2的上端通过排气管203与预氧化器3的进气孔301连通，所述预氧化器3内设有雾化器Ⅱ302，所述预氧化器3的下端与二级喷淋塔4的下端连通，

所述一级喷淋塔2上设有排液孔Ⅰ204，所述排液孔Ⅰ204与离心分离装置5的进液孔501连通，所述离心分离装置5设有与隔膜电解装置6的阳极槽601连通的排液孔Ⅱ502和与所述主海水管的排水端103连通的排液孔Ⅲ503，所述阳极槽的排液孔602与所述雾化器Ⅱ302连通，

所述主海水管的进水端102还设有管道分支Ⅱ104，所述管道分支Ⅱ104的另一端与所述隔膜电解装置6的阴极槽603连通，所述阴极槽的排液孔604与位于所述二级喷淋塔4内的雾化器Ⅲ401连通，所述二级喷淋塔4的上端设有排气孔402，所述二级喷淋塔4上设有与过滤净化装置7连通的排液孔Ⅳ403，所述过滤净化装置7上设有与所述主海水管的排水端103连通的排液孔Ⅴ701，

所述阳极槽601与所述阴极槽603之间设置隔膜605，用于把阴、阳极产物隔开，

所述离心分离装置5上设有与污泥舱8连通的排泥孔Ⅰ504，所述过滤净化装置7上设有与所述污泥舱8连通的排泥孔Ⅱ702。

所述排液孔Ⅱ502与所述阳极槽601的下端连通，所述阳极槽的排液孔602位于所述阳极槽601的上端，通过上述设置，使得从所述排液孔Ⅱ502流入到所述阳极槽601的液体从所述阳极槽601的下端逐渐上升并与阳极发生反应，产生强氧化性、强酸性溶液，之后所述强氧化性、强酸性溶液从所述阳极槽的排液孔602排出。

所述管道分支Ⅱ104与所述阴极槽603的下端连通，所述阴极槽的排液孔604位于所述阴极槽603的上端，通过上述设置，使得从所述管道分支Ⅱ104流入到所述阴极槽603的液体从所述阴极槽603的下端逐渐上升并与阴极发生反应，产生强还原性、强碱性溶液，之后所述强还原性、强碱性溶液从所述阴极槽的排液孔604排出。

工作状态下，天然海水依次经过所述主海水管的进水端102，所述管道分支Ⅰ101和所述雾化器Ⅰ201与船舶柴油机排放的废气混合脱除所述废气中的SO_X和PM，得到一次废液和一次净化废气；

天然海水还依次经过所述主海水管的进水端102和所述管道分支Ⅱ104进入所述隔膜电解装置6的阴极槽603与阴极反应得到强还原性、强碱性溶液；

所述一次废液从所述排液孔Ⅰ204进入到所述离心分离装置5，经离心分离处理后，一部分溶液进入所述隔膜电解装置6的阳极槽601与阳极发生反应得到强氧化性、强酸性溶液，另一部分则从所述排液孔Ⅲ503排入到所述主海水管的排水端103，直接与天然海水混合稀释后排出，经离心分离处理后产生的污泥从所述排泥孔Ⅰ504排入到所述污泥舱8内；

所述一次净化废气通过所述排气管203进入到所述预氧化器3，并与从所述雾化器Ⅱ302进入到所述预氧化器3内的所述强氧化性、强酸性溶液混合将所述一次净化废气中NO氧化成NO₂，得到二次废液和二次净化废气；

所述二次净化废气从所述预氧化器3的下端进入到所述二级喷淋塔4的下端，并与从所述雾化器Ⅲ401进入到所述二级喷淋塔4内的所述强还原性、强碱性溶液混合吸收所述二次废气中的NO_X，得到三次废液和三次净化废气；

所述三次净化废气从所述排气孔402直接排入大气；

所述三次废液与从所述预氧化器3的下端进入到所述二级喷淋塔4的下端的所述二次废液混合经所述过滤净化装置7处理后，从所述排液孔Ⅴ701排入到所述主海水管的排水端103，与天然海水混合稀释后排出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型湿式船舶废气综合处理方法，其特征在于具有如下步骤：

1)船舶柴油机排放的废气与天然海水混合脱除所述废气中的SO_X和PM，得到一次废液和一次净化废气；

2)天然海水进入隔膜电解装置的阴极槽与阴极反应得到强还原性、强碱性溶液；所述一次废液经离心分离处理后，一部分溶液进入所述隔膜电解装置的阳极槽与阳极发生反应得到强氧化性、强酸性溶液，另一部分则直接与天然海水混合稀释后排出，所述离心分离处理后得到的杂质被收集；

3)所述一次净化废气与所述强氧化性、强酸性溶液混合将所述一次净化废气中NO氧化成NO₂，得到二次废液和二次净化废气；

4)所述二次净化废气与所述强还原性、强碱性溶液混合吸收所述二次废气中的NO_X，得到三次废液和三次净化废气；

5)所述三次净化废气直接排入大气；

6)所述三次废液与所述二次废液混合经过滤净化装置处理后，与天然海水混合稀释后排出，所述过滤净化装置处理后得到的杂质被收集。

2.一种新型湿式船舶废气综合处理装置，其特征在于：包括主海水管和一级喷淋塔，所述一级喷淋塔内设有雾化器Ⅰ，所述雾化器Ⅰ通过管道分支Ⅰ与所述主海水管的进水端连通，所述一级喷淋塔的下端设有废气进气孔，所述一级喷淋塔的上端通过排气管与预氧化器的进气孔连通，所述预氧化器内设有雾化器Ⅱ，所述预氧化器的下端与二级喷淋塔的下端连通，

所述一级喷淋塔上设有排液孔Ⅰ，所述排液孔Ⅰ与离心分离装置的进液孔连通，所述离心分离装置设有与隔膜电解装置的阳极槽连通的排液孔Ⅱ和与所述主海水管的排水端连通的排液孔Ⅲ，所述阳极槽的排液孔与所述雾化器Ⅱ连通，

所述主海水管的进水端还设有管道分支Ⅱ，所述管道分支Ⅱ的另一端与所述隔膜电解装置的阴极槽连通，所述阴极槽的排液孔与位于所述二级喷淋塔内的雾化器Ⅲ连通，所述二级喷淋塔的上端设有排气孔，所述二级喷淋塔上设有与过滤净化装置连通的排液孔Ⅳ，所述过滤净化装置上设有与所述主海水管的排水端连通的排液孔Ⅴ。

3.根据权利要求2所述的一种新型湿式船舶废气综合处理装置，其特征在于：所述离心分离装置上设有与污泥舱连通的排泥孔Ⅰ，所述过滤净化装置上设有与所述污泥舱连通的排泥孔Ⅱ。

4.根据权利要求2所述的一种新型湿式船舶废气综合处理装置，其特征在于：所述排液孔Ⅱ与所述阳极槽的下端连通，所述阳极槽的排液孔位于所述阳极槽的上端。

5.根据权利要求2所述的一种新型湿式船舶废气综合处理装置，其特征在于：所述管道分支Ⅱ与所述阴极槽的下端连通，所述阴极槽的排液孔位于所述阴极槽的上端。